论文标题：Dense Water Formation Variability in the Aegean Sea from 1947 to 2023

论文链接：https://www.mdpi.com/2673-1924/5/3/35

期刊名：Oceans

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/oceans

爱琴海是地中海众多子海盆中致密水形成（DWF）频繁发生的区域之一。局部形成的水团填充了该区域的深层海盆。在东地中海瞬变事件（EMT）期间，爱琴海取代亚得里亚海成为东地中海深层水的主要来源，并因近海表层向深层的净盐输送而重塑了整个海盆深层水的结构。爱琴海中层水的形成每年都会发生。 克里特海中形成的克里特中层水（CIW）性质与黎凡特中层水（LIW）相似，但温度略低，盐度略高，且存在显著的年际变化。

了解爱琴海致密水形成的年际变化及其向黎凡特海盆和爱奥尼亚海盆输送的水量，对于理解整个东地中海盆地观测到的变化至关重要。然而，由于爱琴海地形复杂、时间变率高、北部和中部爱琴海存在强烈的温盐梯度，以及各洼地水体停留时间差异大，确定爱琴海翻转过程的时机和强度十分棘手。目前文献中尚无涵盖爱琴海所有开阔海域/深海区域的长期致密水形成（DWF）分析。

希腊的研究学者Manos Potiris等人在Oceans 期刊发表了文章，描述了1947年至2023年爱琴海的水文和致密水形成变化及其与已提出的致密水形成机制的关系。这些发现增强了对数据匮乏时期观测结果的信心，进而考察了爱琴海在该时期的水文和深海洪水变化。

图1研究区域示意图：（a）东地中海和（b）爱琴海的水深和主要地理特征。(a) 中的蓝色框对应 (b) 所示的爱琴海区域。

研究过程与结果

材料与方法

水文数据: 本研究使用的温度和盐度数据集由五个在线提供的精选数据集合并而成根据下载数据集的质量标记，分析中仅使用了精选数据集中的高质量数据。作者使用 Ocean Data View v.5.6.3 (ODV) 软件构建了合并后的温度和盐度数据集。

爱琴海通常分为北部（莱姆诺斯海盆和阿索斯海盆）、中部（斯基罗斯海盆、希俄斯海盆、伊卡利亚海盆和基克拉迪群岛高原）和南部（米尔托海盆和克里特海盆）三个部分。本研究的水文分析遵循这一惯例。

海平面和地转环流: 从哥白尼海洋服务中心下载了1993年至2020年期间的欧洲海域网格化L4海面高度及其衍生变量数据集（以下简称卫星海面高度数据），还下载了2021年和2022年的近实时版本。这些提供了欧洲海域及其子海盆一致的海面高度观测数据集。本研究使用绝对动态高度（ADT）创建了流入爱琴海的年际海水流量指数，并研究了东地中海地转环流变率。

水动力模型数据: 从哥白尼海洋服务中心下载了1987年至2022年期间空间分辨率为0.042°的地中海物理分析与预报（以下简称MFC）月平均海面高度（SSH）场数据。对其进行了与卫星数据相同的经验正交函数（EOF）分析。

大气强迫: 从气候数据存储库下载了 ERA5 再分析数据，包括1940 年至 2022 年的月平均长波、短波、显热和潜热通量以及降水和蒸发，用于计算研究区的表层浮力通量。

黑海水流入: 使用了 Maderich 等人提供的从达达尼尔海峡到爱琴海的上层体积流量 Q 和浮力通量 F 数据, 而地中海和黑海之间的净水交换异常值 〈N〉 则来自 Garcia-Garcia 等人 2022 年的研究。由于年际尺度上的净水流方向是从黑海流向爱琴海，净交换量的长期变化也可作为黑海海水流入爱琴海的指标。

在达达尼尔海峡和博斯普鲁斯海峡的出口处，选取面积约为 4.5×10³ km² 的两个网格，计算日绝对动态高度 (ADT) 空间平均，并求差值。由于本研究关注的是流量的年际变化，  足以作为研究所需的海水流入量的指标。文中将三个变量（、Q 和 〈N〉）的年平均值统称为黑海水流入量。

结果

2016年至2023年阿索斯盆地的变化

从图2的等密度面的隆起可以看出，密度大于29.3 kg m⁻³的致密水在2017年、2019年和2022年出现。

图2：阿索斯盆地 2016 年 1 月至 2022 年 12 月期间的位温  （a）、盐度 S (b) 和位密度  (c)的时间-深度图。图中上方的黑点代表时间-深度数据分布。

2018年和2021年的观测数据缺失，阻碍了对这两年的进一步研究。2020年也出现了致密水，但强度较弱。 2016年，水体呈现出典型的结构：约500米以下为冷咸水层，500米至150米之间为较暖且盐度较低的水层，150米以上为极低盐度水层。这种典型的水体结构在2017年形成后发生了改变，2017年的形成是由初冬大量表层热量散失引发的。到2018年中期，中间层的盐度再次升高，在约400米深的水槽深度仍存在低盐核心，可能是2017年形成的残余。

2019 年形成引起水柱热盐结构变化最为剧烈。2016年至2019年，深层水体处于停滞状态，并通过垂直混合逐渐获得浮力。2019年末，一次咸暖水入侵结束了停滞期。2022年洋流的形成强度导致盐度和温度下降，下降幅度在前约400米范围内更为显著。

1985年以来爱琴海的变化

在1987年形成期间，北–中爱琴海子盆地的温盐特性变化并不一致。阿索斯海盆和莱姆诺斯海盆的温度和盐度均下降；希俄斯海盆和伊卡利亚海盆的温度下降而盐度上升；而斯基罗斯海盆的温度几乎不变，盐度上升。在南爱琴海，米尔托安海盆的温度下降，盐度上升；而克里特海各子海盆的温度保持不变，盐度上升。北–中爱琴海所有子盆地的密度均增加。

致密水的形成在1987年后持续进行，并在1992年和1993年达到峰值。到2002年，希俄斯盆地观测到的最大密度小于29.35 kg m⁻³，伊卡利亚盆地观测到的最大密度小于29.4 kg m⁻³。到2006年，只有斯基罗斯盆地深层的密度超过了29.5 kg m⁻³。

在克里特海，东地中海瞬变事件（EMT）峰值之后最显著的温盐变化是热带海洋水体（TMW）的入侵，其核心深度约为350米，盐度低于38.95，于1994年出现，并在1995年变得更加明显，从1997年到1998年，热带海洋水体逐渐消退。2001 年后，克里特海出现了新的 TMW 入侵，反映克里特海致密水流出至东地中海的补偿流。

莱姆诺斯海盆和阿索斯海盆密度为 29.15 kg m⁻³ 的等密度面变浅，标志着北爱琴海中部致密水形成 (DWF) 的下一个增加期，始于 2002-2003 年，在 2006 年后加剧，在 2008-2009 年达到峰值。

在爱琴海中北部，由于2017年地层的形成，阿索斯盆地、斯基罗斯盆地和希俄斯盆地的中间层密度增加。2017年形成的大量致密海水似乎通过东克里特海峡流出爱琴海。在西克里特海和中克里特海，似乎只有中间层受到了2017年海水形成的影响。

2019年海水的形成对爱琴海的水文影响最大，所有有数据可查的子海盆都记录到了温度和盐度的急剧上升。2019年的海啸还导致克里特岛西部海盆的等密度线上升，但对克里特岛中部和东部海盆没有产生类似影响。因此，密度最高的海水似乎通过西克里特海峡流出了爱琴海。

2019年之后，北–中爱琴海海盆观测数据稀少，因此无法对2020年和2021年的致密水形成事件进行研究。然而，克里特海的温度和盐度持续上升，到2021年4月，西克里特海盆的热带海洋水流（TMW）已完全消失，中央和东盆信号减弱且位于更深处。

2017 年后克里特海中部海沟（TMW）的侵蚀

自 21 世纪初以来，对克里特海中部海沟(TMW) 的侵蚀是由于垂直扩散还是是垂直扩散造成还是北–中爱琴海致密水入侵造成一直存在争议。作者整合的观测数据集显示2010 年至 2012 年，TMW 信号非常微弱，且局限于 800 米以上的深度，其核心位于 1100 米处。2012 年年中，水体中观测到的最低盐度 >39，TMW至少在前 1000 m 已完全侵蚀。 2012年末，TMW新入侵层出现在800米深处，并持续增强至2016年。2015年，TMW大致占据了400-1200米水层，其核心盐度值（约700米深处）低于38.95。

岩芯的最低盐度值（约38.85）出现在2016年末，2017年开始逐渐加深，并至少持续到2021年中期，其盐度也随之增加到高于38.95。在此期间，TMW盐度的增加表现为暖盐水在400米以下直至观测到的最大深度（约1000米）的多次入侵。西克里特盆地浅层 TMW 的侵蚀更明显。

克里特海海水的变异性

利用1月至4月的剖面数据和固定点观测数据，计算了克里特海水柱前250米的温盐特性来研究其密度变异性。识别出四个克里特海海水密度增加的时期：20世纪70年代初至末期、1987年至1998年、2005年至2009年以及2017年至2023年。

为了量化温度或盐度对CIW密度的影响程度，仅基于温度或盐度的变化来估算CIW密度，同时保持另一个参数等于其在该层内的时间平均值。结果表明CIW 的密度变化主要取决于温度，且密度对温度的依赖性非常显著，盐度与密度之间的相关系数为负值。盐度似乎仅在年代际时间尺度上发挥显著作用。

1985年以前爱琴海的变化

莱姆诺斯海盆和阿索斯海盆密度的显著增加表明，1947年至1955年间，爱琴海中北部至少发生过一次强烈的深层水流事件，且该事件的峰值在1948年至1952年之间形成。该事件导致阿索斯海盆温度下降、盐度升高。 20世纪50年代末之前在伊卡利亚、斯基罗斯、阿索斯和莱姆诺斯海盆的少量观测表明，北爱琴海和中爱琴海的次级海盆正在从20世纪40年代末至50年代初发生的深海海水入侵事件中恢复。此外，温度和盐度测量结果均表明，克里特海的TMW层在1947年至1955年间遭受了侵蚀。

最迟在1959年，克里特海东部出现了TMW新入侵层。1963年后，TMW信号逐渐增强，到1965年，它已占据克里特海东部和中部海盆400-1200米的深度。1972-1973年，随着密度增加，北中爱琴海出现了新的DWF的最初迹象，与此同时，东克里特海的TMW开始侵蚀。然而，1975年后的形成期对爱琴海所有子海盆都产生了显著的影响，北中爱琴海中间层的密度增加，到1977年，TMW已完全侵蚀殆尽。1980年后，TMW再次出现在克里特海。1980年后的TMW入侵与其他入侵事件显著不同，它并非逐渐发生，而是几乎同时出现在克里特海的所有子海盆中。TMW层并非逐渐增厚，而是在不到两年的时间内占据了水体的大部分。此外，爱琴海中北部近表层和次表层极低的盐度表明，1980年后BSW流入量显著增加。

强迫机制的变化

1940年至2022年间，爱奥尼亚海的环流主要为气旋式，间或出现短时或长时的反气旋式环流。作者识别出四个持续时间较长的强反气旋式环流期 (1940年至1946年、1953年至1958年、1987年至1998年以及2005年至2009年期间) 和三个持续时间较短的弱反气旋式环流期 (1949年至1950年、1982年至1983年以及2017年至2018年期间)。1940 年至 1958 年和 2005 年至 2009 年的反气旋环流强度相当。1987 年至 1998 年最强、持续时间最长的反气旋环流几乎与 EMT 重合。

本研究发现，来自北爱琴海中部致密水的入侵对南爱琴海的TMW层具有侵蚀作用。南爱琴海TMW的特征与盆地CDW输出事件的强度同步且成正比，因此与中爱琴海和北爱琴海的强烈DWF事件相吻合。然而，目前的研究表明，CIW 以入侵形式向南爱琴海的年度形成和输出减弱，导致先前盆地中 TMW 信号逐渐减弱。

BSW入流是爱琴海DWF的重要驱动机制；然而，在作者提到的四种机制中，它是最不为人所知的。将现有的温度和盐度气候学数据与观测到的入流相结合，将显著提高科学界对横向热通量和盐通量的认识。尽管利用达达诺斯高频雷达系统估算的达达尼尔海峡体积流量低于文献中的数据，但作者们认为该系统的运行是爱琴海海洋学研究的优先事项之一，因为对莱姆诺斯岛以东表层海流的长期监测及其在水动力模型中的成功同化，不仅对改进短期环流预测具有深远意义，而且对爱琴海长期模拟的浮力收支也具有重要意义。

研究总结

爱琴海致密水的形成至关重要，因为它影响着东地中海的深层环流和水文特征。本研究利用来自不同来源的现场观测数据，结合卫星测高数据和再分析产品，分析了1947年至2023年间爱琴海各子海盆高密度水体形成的变化及其与驱动机制的关系。分析结果表明：

2017年至2022年，爱琴海的致密水生成量显著增加。由于大气环流的“跷跷板式”变化，克里特深层中间水几乎每两年形成一次。

2019年至2023年，爱琴海上层和中层水体的盐度创历史新高，海洋深层水（BSW）的流入量非常低，表明了海洋深层水对爱琴海的稀释作用对海盆近地表盐度和中层水体的盐度平衡起着重要作用。

来自北爱琴海中部的高密度水体入侵加剧了南爱琴海过渡性地中海水体的侵蚀。 20世纪50年代初、70年代中期以及2017年后，北爱琴海中部深层水（DWF）的增加与南爱琴海中层水（TMW）的侵蚀同时发生。

克里特海中层水（CIW）的密度变化主要取决于温度，盐度驱动的深层水变化主要在北爱琴海中部地区起作用。来自北爱琴海中部高密度水体的入侵可能通过抬升克里特海的中层水体而发挥作用。

在东地中海瞬变现象高峰期，北爱奥尼亚环流、黑海海水流入、大西洋多年代际振荡以及表层浮力通量均有利于爱琴海致密水的形成。

Oceans 期刊介绍

主编： Prof. Dr. Beatriz Morales-Nin, Mediterranean Institute of Advanced Studies CSIC-UIB, Spain

期刊主题涵盖海洋地质，海洋气候和气象学，古海洋学，海洋环流，海洋化学和生物地球化学，海洋生态学与生物学，海洋资源 (如渔业、水产养殖和采矿)，海洋工程，海洋建模，海洋治理，业务海洋学，沿海的研究，深海研究等。

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